Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий
Шрифт:
Нет также генов гениальности. В лучшем случае гениальность обусловлена сочетанием множества генов, в хитросплетении которых нам не разобраться никогда. Это счастливая комбинация складывается случайно в ходе бесконечной игры Природы или каких-то высших сил, в существование которых, впрочем, мы, материалисты, не верим.К чему я это говорю? В своей лекции при вручении Нобелевской премии Пауль Эрлих сказал: “Ученые начали понимать механизм действия терапевтических веществ. Я надеюсь, что, если эти исследования будут систематически развиваться, вскоре нам станет легче, чем до сих пор, разрабатывать рациональные пути синтеза лекарств”. Очень актуально! Сегодня мы питаем ту же надежду, что вскоре… А ведь сто лет прошло. По законам теории вероятностей пора бы уж генам вновь удачно сложиться и явить миру нового
Глава 11 Атомный конструктор
Вот мы и добрались до атомов. Многие убеждены, что манипулирование атомами и сборка различных объектов из атомов составляют квинтэссенцию нанотехнологий, то, что отличает их от “старых” технологий и служит основой революционных технологий будущего. Убеждение это ложное, оно сложилось в значительной мере благодаря публикациям в научно-популярной литературе и СМИ. Откуда здесь ноги растут, я расскажу вам в следующей главе, это довольно занимательная история. Но все это нисколько не умаляет значимости самого открытия. То, что ученые научились напрямую манипулировать атомами, действительно определяет одну из важнейших вех в истории развития науки.
Для того чтобы научиться манипулировать атомами, их надо было для начала увидеть. Долгое время считалось, что эту задачу невозможно решить в принципе. Размер атомов очень мал. Оценили его еще в XIX веке, исходя из данных по размеру молекул, опять же оценочных, и структуры молекулы, которую представляли образованной из сферических атомов. Он составил что-то около одной десятой нанометра. Чтобы не заморачиваться с лишними знаками после запятой, ученые стали использовать эту величину в качестве специальной единицы измерения, названной ангстремом по имени предложившего ее в 1868 году шведского физика Андерса Ангстрема, или, точнее, Онгстрёма (1814–1874).
Разглядеть столь малые объекты с помощью оптических микроскопов – единственных имевшихся тогда в распоряжении ученых приборов – было действительно невозможно, как ни умножай количество линз и ни улучшай их качество. Законы оптики положили нашим желаниям так называемый дифракционный предел, мы не можем разглядеть по отдельности два объекта, если они находятся на расстоянии, меньшем двухсот-трехсот нанометров. Некоторую надежду подарило открытие в 1895 году рентгеновских лучей с длиной волны порядка одного нанометра и приблизительно таким же дифракционным пределом. Но как сфокусировать рентгеновские лучи? В природе просто не было веществ, из которых можно было изготовить необходимые линзы.
Ученые в конце концов научились использовать рентгеновские лучи для исследования структуры вещества. О методе рентгеноструктурного анализа, созданном в 1912 году, я уже рассказывал в пятой главе. При просвечивании кристалла рентгеновскими лучами на фотопластинке возникал сложный узор, состоящий из точек и дужек. Но это не было изображением атомов, это был образ плоскости, состоящей из атомов определенного сорта и расположенных в кристалле в строгой периодичности.
Рентгеновские лучи находились на нижней границе электромагнитного излучения, ученые полагали, что спуститься ниже уже невозможно, и проблема визуализации атомов зашла в тупик. Прорыв произошел в 1924 году, когда француз Луи де Бройль [59] (1892–1987) сформулировал гипотезу о двойственной природе электрона: в одной из своих ипостасей электрон был волной, в сущности, электромагнитным излучением. Научному сообществу потребовалось некоторое время, чтобы переварить эту ересь, в 1929 году де Бройлю присудили Нобелевскую премию по физике, еще через два года пришла пора практического приложения.
59
Вообще-то это его псевдоним, произносимый к тому же на английский манер. На самом деле его звали Луи Виктор Пьер Раймон, герцог Брольи. Ему принадлежит одно высказывание, прекрасно ложащееся в канву книги: “Ученый часто чувствует себя погребенным под массой статей и монографий, выходящих во всех уголках земного шара. Он все время рискует запутаться в мелочах и упустить главное”.
По
Он родился в Гейдельберге в профессорской семье. После окончания Технического университета в Мюнхене и короткой стажировки в компании “Siemens” Руска в 1928 году приступил к выполнению диссертации в Техническом университете Берлина под руководством Макса Кнолля. Темой работы было воздействие магнитного поля на пучки электронов. Диссертацию Руска защитил лишь в 1934 году – ему пришлось на пару лет отвлечься на создание прототипа электронного микроскопа, а кроме того, в 1933 году он перешел работать в одну из берлинских фирм, где занимался разработкой телевизионных передатчиков и приемников.
В 1937 году Руску пригласили в “Siemens”, где его назначили главным по электронным микроскопам. Руска поразительно быстро превратил созданный за пять лет до этого прототип в коммерческую модель. Уже в 1939 году компания “Siemens” выпустила на рынок электронные микроскопы с разрешающей способностью в десять нанометров. Существенно, что “в комплекте” предлагались методики применения электронной микроскопии в медицине и биологии, их разработкой в компании занимался брат Эрнста Руски – Гельмут, врач по образованию. “Siemens” долгое время была мировым лидером в этой области, соответственно, Руска стал крупнейшим в мире специалистом по электронной микроскопии.В 1955 году Руска возглавил вновь созданный Институт электронной микроскопии в Западном Берлине и одновременно стал преподавать в Техническом университете. Руске посчастливилось дожить до присуждения ему в 1986 году Нобелевской премии по физике. С момента его изобретения миновало пятьдесят пять лет.Первый прибор, собранный Кноллем и Руской, давал увеличение всего в четыреста раз, то есть был ничем не лучше оптических микроскопов. Но это не имело никакого значения, дело было в принципе. Они заменили световой луч пучком электронов. Кроме того, предложили принципиальную схему устройства, которая не претерпела изменений по сей день.
Эта схема чрезвычайно напоминает схему оптического микроскопа, а устройство просвечивающего электронного микроскопа в определенном смысле даже проще, чем у оптического. Во-первых, оптические линзы заменены катушками индуктивности, магнитное поле которых поддается легкой регулировке, по аналогии эта часть устройства получила название магнитных линз. Во-вторых, чрезвычайно упростилась задача получения “света” с определенной длиной волны. Эта величина для электрона зависит от его энергии: разгоняя электроны в электрическом поле, можно плавно регулировать их энергию и соответствующую ей длину волны, вплоть до значений порядка тысячных долей нанометра. Регистрация изображения также не представляла труда, это мог быть и экран, покрытый люминесцирующим составом, и фотопластинка.
Улучшение характеристик просвечивающих электронных микроскопов было делом техники. Сейчас созданы приборы сверхвысокого разрешения, обеспечивающие увеличение в миллион раз. С их помощью, например, мои аспиранты получают фотографии синтезированных ими наночастиц различных солей, на которых видны ровные ряды шариков – составляющих их атомов. Они показывают эти фотографии бестрепетно, как нечто само собой разумеющееся.
В 30–40-е годы о таком разрешении никто даже не мечтал, а если и мечтал, то молча, чтобы не подвергнуться насмешкам со стороны коллег. У просвечивающей электронной микроскопии при ее несомненных достоинствах есть и вполне очевидные, естественные ограничения. Для получения и манипулирования пучками электронов необходим высокий вакуум, таким образом, исследовать можно только твердые и сухие образцы. Кроме того, из самого названия метода следует, что образец должен быть хотя бы частично прозрачен для пучка электронов, для большинства веществ это соответствует толщине образца порядка десятков и сотен нанометров.